陜北榆神礦區煤層開采頂板涌水規律分析

趙春虎，靳德武，李智學，申小龍，王 皓，王世東，許 峰，王強民

(1.中國煤炭科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054; 2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710177; 3.陜西投資集團有限公司,陜西 西安 710061; 4.陜西煤田地質勘查研究院有限公司,陜西 西安 710021)

榆神礦區地處西部干旱與半干旱地區，毛烏素沙漠與陜北黃土高原的接壤地帶，是我國陜北煤炭基地的重要組成部分，近地表第四系薩拉烏蘇組松散孔隙含水層是區內惟一具有供水意義和重要生態價值的含水層[1]，為礦區保水采煤的目標保護層[2]。煤層開采形成的采動裂隙發育至基巖含水層內部甚至近地表的松散層含水層，導致含水層地下水沿采動導水裂隙間接或直接涌入采掘空間，一般形成大而穩定的頂板涌水問題[3]，也加劇了礦區水資源短缺局面以及生態環境的負效應[4-5]。因此，煤層開采過程中頂板水害防控與地下水資源協同保護是煤炭可持續開發面臨的一項主要問題。

針對礦區“煤水”協調問題，董書寧等[6-7]系統提出了西部礦區典型頂板水害防控技術，彭蘇萍等[8]系統總結了煤礦區生態環境修復關鍵技術。李智學、申小龍等[9-10]系統分析了榆神礦區最上可采煤層賦存特征、上覆主要含(隔)水層空間分布規律及組合類型，李文平等[11]根據主采煤層上覆基巖、松散含水層及隔水層的空間分布特征，將榆神府礦區“保水采煤”工程地質條件分為砂土基型、砂基型、土基型、基巖型、燒變巖型5類，王雙明等[1]根據“三圖預測法”將榆神礦區劃分為貧水、保水限定、可控保水和自然保水4個保水采煤類型分區。王啟慶等[12]根據煤層開采對松散層潛水的影響程度，將礦區劃分為不涌水、輕微涌水、一般涌水、嚴重涌水4個分區，鄧念東等[13]把白堊系洛河組含水層也作為保水對象，將礦區劃分為沙-土-洛-基型、沙-土-基型、沙-基型、無水開采區與燒變巖型5個保水開采分區，筆者[14]采用地下水數值模擬方法研究了神東礦區淺埋煤層開采松散含水層涌水量，相關研究成果豐富了礦區保水采煤技術實踐。

目前保水采煤理論與技術主要以“覆巖分帶理論”為研究基礎，以分析不同采煤條件下導水裂隙帶發育高度與覆巖含水層的空間關系為研究重點[15-16]，其基本認識為導水裂隙未溝通保水目標層或隔水土層，未造成地下水資源大量漏失，即認為可以實現保水開采。陜北榆神礦區分4個規劃期，各期主采煤層賦存特征差異較大，針對煤層開采引起含水層涌水規律的相關研究大多集中在開采程度高、開采煤層埋深相對較淺的一、二期規劃區以及北部的神府礦區，其研究成果在榆神中深部的三、四期規劃區應用方面存在一定局限性。筆者通過系統整理分析榆神礦區主采煤層地質、水文地質特征以及導水裂隙帶的相關研究成果，總結榆神礦區主采煤層開采含水層3種涌水模式，并采用地下水系統數值分析手段，構建了礦區典型煤礦工作面尺度上3種模式的涌水分析模型，定量分析了采煤導致的含水層地下水的涌水規律。

1 主采煤層水文地質結構特征

1.1 主采煤層賦存特征

榆神礦區位于毛烏素沙漠與陜北黃土高原的接壤地帶，地貌單元上劃分為風沙地貌、黃土地貌及河谷地貌3種類型，地勢呈西北高東南低，地層總體表現為向北西緩傾的單斜，地質構造相對簡單。

礦區含煤地層為侏羅系中統延安組(J2y)，覆巖由下至上依次為侏羅系直羅組(J2z)、安定組(J2a)，白堊系洛河組(K1l)，新近系保德組(N2b)，第四系離石組(Q2l)、第四系薩拉烏蘇組(Q3s)，以及風積層(Q4eol)與沖積層(Q4al)。如圖1，2所示，由于地層剝蝕，侏羅系延安組含煤地層保存不完整，礦區從東南向西北可采煤層5-2，4-2，3-1，2-2，1-2呈階梯狀分布，覆巖層組合及厚度差異較大，其中東部的榆神二期主采煤層由西北向東南依次為5-2，4-2，3-1;中東部的榆神一期主采煤層為2-2，中部榆神三期主采煤層除小壕兔一、二號井田為1-2外，其他區域均為2-2;西部榆神四期主采煤層為1-2，2-2，總體上各主采煤層埋深由東至西逐步增大。

圖2 礦區典型地質鉆孔柱狀Fig.2 Hydrogeologic histogram of typical boreholes in mining area

1.2 主采煤層覆巖含、隔水層

根據榆神礦區主采煤層覆巖的地層巖性，以及地層剝蝕、風化、燒變等作用，劃分主采煤層覆巖含、隔水層見表1。

表1 榆神礦區主采煤層覆巖含隔水層特征Table 1 Characteristic table of overlying aquifer and aquifer of the top mineable coal seam in Yushen mining area

松散孔隙潛水含水層組，主要指第四系沖積層(Q4al)、風積層(Q4eol)以及薩拉烏蘇組(Q3s)，基本全區分布，一般3層具有較為統一的水力聯系，一般劃分為松散孔隙潛水含水層組，據礦區金雞灘、錦界、涼水井、曹家灘、大保當、爾林灘、爾林兔等井田抽水試驗資料，滲透系數0.013～23.582 m/d，水位埋深一般小于3 m，富水性大部分較好，是礦區煤層開采保水的目標含水層。

基巖裂隙含水層組，礦區主采煤層上覆基巖地層自下而上分別為延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)、洛河組(K1l)正常基巖地層，據榆神一期杭來灣、曹家灘、大保當、神樹畔等井田，二期香水河、何興梁、馬王廟、朱家塔等井田，三期小壕兔一號、二號及小保當一號等井田，四期爾林灘、孟家灣西、中雞等井田對不同基巖含水層抽水試驗資料顯示，滲透系數0.006～2.135 m/d，基巖裂隙含水層組富水性一般較弱。如圖2所示，基巖厚度總體由東南向西北增厚，由于上部受風化剝蝕作用影響，在礦區中東部區(一、二期)，洛河組(K1l)基巖地層缺失，主采煤層上覆基巖層巖性和厚度變化較大。

風化基巖含水層，基巖頂部巖石頂面受到不同程度的風化，結構雜亂，松軟易碎，受地形地貌、上覆含水層特征、風化程度等影響，風化基巖含水層富水性變化較大，滲透系數0.012～4.992 m/d[17-18],礦區由西向東發育層位依次為洛河組(K1l)、安定組(J2a)、直羅組(J2z)與延安組(J2y)[19]。

燒變巖孔洞裂隙含水層，是指因煤層自燃頂板塌落及后期風化等形成裂隙孔洞發育的燒變巖帶，由于巖層破碎，透水性好，其富水性變化較大，主要與自燃煤層、燒變巖特征及燒變巖上覆松散含水層組的富水性有關，其分布范圍相對局限，主要在二期各大溝谷兩側呈條帶狀分布，據錦界、西灣、榆樹灣、杭來灣、上河、高家界、河興梁等井田勘探鉆孔抽水試驗資料，滲透系數0.006～74.103 m/d。

主隔水層是由第四系離石組(Q2l)黃土和新近系保德組(N2b)紅土共同組成的隔水土層[20]，是上覆松散孔隙潛水含水層組的直接隔水底板，基本全區分布，該土層組的連續性、厚度、天然及采動后的滲透系數變化等對保護松散含水層意義重大，被定為榆神礦區的隔水關鍵層[21-22]。

亞隔水層，在榆神礦區中-深煤層區，侏羅系地層中滲透能力弱的泥巖、砂質泥巖、粉砂巖與滲透能力較好的中、細粒砂巖相互交錯，其中侏羅系安定組地層(J2a)以含泥巖、砂質泥巖沉積為主，厚度較為穩定，一般劃分為相對隔水層[23-24]。

2 主采煤層開采含水層涌水模式

由于采動導水裂隙具有極強的導水能力，是引起含水層涌水的控制因素，通過分析榆神礦區主采煤層開采形成的導水裂隙帶與上覆含、隔水層組的空間組合關系，以及引起含水層涌水特征，提出榆神礦區最上煤層開采含水層涌水模式。

2.1 榆神礦區主采煤層采動導高分析

通過整理分析榆神礦區生產礦井導水裂隙帶高度研究成果，見表2。礦區煤層埋深、覆巖結構差異明顯，主采煤層開采裂采比變化較大(15～28倍)，均值23倍。其中榆神東部與南部淺埋煤層區，主采煤層開采(如4-2,3-1煤層等)導水裂隙易溝通風化基巖與松散含水層(如柳巷、涼水井、錦界等煤礦);中南部中埋深煤層區，由于主采煤層2-2厚度大，曹家灘、榆樹灣等生產礦井一般采用分層開采，實測分層開采導水裂隙一般發育至基巖內部，通過相似材料模擬得出一次采全高條件下導水裂隙易發育至土層甚至松散層內[21,27];中部與西部深埋煤層區，主采煤層(如2-2,1-2煤層)開采導水裂隙僅發育在基巖含水層內部(如榆樹灣、金雞灘、隆德、小壕兔等煤礦)。

表2 榆神礦區部分礦井開采覆巖導水裂隙帶測試統計Table 2 Detection results of water flowing fractured zone in some mines in Yushen mining area

2.2 煤層開采含水層涌水模式

根據榆神礦區主采煤層采動導水裂隙與覆巖含(隔)水層的空間組合關系，以及不同組合關系下含水層涌水特征，提出3種涌水模式:

(1)淺埋煤層側向直接涌水型(圖3(a))。榆神礦區東部淺埋煤層區(一、二期)主采煤層開發時導水裂隙帶穿越離石、保德組發育至地表風積沙等松散層內，在工作面頂部局部區段內的松散含水層被迅速疏干，該區段含水層不能得到外圍含水層側向補給，出現干涸;而工作面外圍的松散含水層地下水會以側向排泄的形式沿著導水裂縫側向邊界進入采空區內，造成松散含水層與基巖裂隙含水層地下水沿導水裂隙側向直接涌入井下，形成典型的“側向直接型”涌水模式。

圖3 煤層采動含水層涌水模式示意Fig.3 Schematic diagram of water inrush in aquifer under the influence of coal seam mining

(2)中深煤層側向與垂向復合涌水型。榆神礦區中部(三期)煤層埋深相對較大(150～400 m)，如圖3(b)所示，采動導水裂隙直接揭露基巖含水層后延伸至離石、保德組主隔水土層底部或內部，造成基巖含水層地下水大量漏失，基巖含水層以側向涌水為主;而采動導水裂隙與松散含水層之間殘留一定厚度的隔水土層，由于基巖含水層地下水的大量漏失致使與松散含水層間的水力梯度增大，以及土層彎曲變形后垂向滲透能力提高，導致松散含水層沿主隔水土層越流涌水，李濤等[34-35]采用水-電相似模擬技術，測試得出當采后有效隔水層厚度為42.6 m的離石黃土或21.0 m的保德紅土時，潛水才不會顯著漏失，可見中深煤層開采易形成“側向與垂向復合”涌水模式。

(3)深埋煤層側向涌水與垂向弱涌水型。榆神礦區西部(三、四期)煤層埋深相對較大(>400 m)，如圖3(c)所示，采動導水裂隙發育至直羅組、延安組基巖含水層內部或安定組亞隔水層內，采動裂隙直接揭露的直羅組、延安組基巖含水層沿導水裂隙側向直接涌水，安定組亞隔水層頂部的洛河組基巖含水層間接越流涌水，而近地表的松散含水層由于存在安定組亞隔水層與離石組、保德組主隔水土層保護，地下水越流漏失微弱，易形成基巖含水層側向涌水與垂向復合隔水保護弱涌水模式。

3 典型煤礦煤層開采含水層涌水規律

3.1 采煤工作面含水層涌水分析方法

為了削弱模型邊界效應影響，在采煤工作面尺度上的含水層涌水模型中，采用無限元域方法，將模擬區外圍定義為無限展布的含水層[37]，即將充水含水層外圍數值處理成“大范圍”的無限展布的充水含水層，減少了“小范圍”人為水頭邊界與流量邊界對預測精度的影響，寬度設置為3 000 m，走向為100 m，圖幅顯示比例調整為x∶y∶z=1∶10∶3。其中覆巖各含水層主要水力參數根據各礦井含水層實際測試資料給定(表3)。

3.2 淺埋煤層側向直接涌水型

涼水井井田位于榆神二期中北部，主采為4-2煤層，煤層厚度0.8～4.2 m，最大埋深150 m，煤層上覆松散層孔隙潛水含水層(均厚13.46 m)，離石與新保德組土層(均厚31.61 m)，基巖與風化基巖含水層(一般厚度38 m)，4-2煤層采動導水裂隙已揭露松散含水層，為側向直接流失型涌水模式。

表3 模型中含、隔水層滲透系數Table 3 Permeability coefficients of main aquifers in the model

由于采動裂隙直接發育至松散含水層，如圖4所示，地下水流場受采動影響較大，形成以導水裂隙帶為中心的降落漏斗，其中工作面頂部與側向一定范圍內的含水層被疏干(空白區段)，積分得出各含水層向導水裂隙的總涌水量為47 m3/h，均來自松散層、基巖與風化基巖含水層的側向涌水。

圖4 涼水井煤礦含水層流場特征Fig.4 Characteristics of aquifer flow field in Liangshuijing Coal Mine

表4 涼水井煤礦含水層涌水量Table 4 Water inrush of aquifer in Liangshuijing Coal Mine m3/h

3.3 深埋煤層側向涌水與垂向弱涌水型

小壕兔一號井田位于榆神四期西部，最上開采煤層為1-2號煤層，均厚4.8 m，埋深約為400 m，煤層上覆松散含水層(25 m)，離石組與保德組隔水土層(48 m)，洛河組基巖含水層(66 m)、安定組亞隔水土層(136 m)、以及直羅組與延安組基巖含水層(132 m)，按照23倍裂采比分析，1-2煤層采動導水裂隙帶高度約110.4 m，發育至直羅與延安組基巖含水層頂部，未揭露安定組亞隔水層，其涌水模式屬于側向與垂向復合隔水保護弱涌水型。

如圖5、表5所示，導水裂隙對直羅組與延安組基巖含水層流場影響較大，形成較為明顯的降落漏斗，由于安定組與離石組、保德組隔水層復合保護近地表松散含水層，地下水流場基本未發生變化，含水層總涌水量為21.87 m3/h，以側向涌水為主，頂部涌水量僅為3.27 m3/h。

圖5 小壕兔煤礦含水層流場特征Fig.5 Characteristics of aquifer flow field in Xiaohaotu Coal Mine

表5 小壕兔煤礦含水層涌水量Table 5 Water inrush of aquifer in in Xiaohaotu Coal Mine m3/h

3.4 中深煤層側向與垂向復合微涌水型

曹家灘井田位于榆神礦區一期規劃區中部，主采煤層為2-2煤層，平均煤厚達11.20 m，埋深一般為300 m左右，采煤方法為分層綜采。煤層上覆松散層孔隙潛水含水層(10 m)，離石組與保德組土層(70 m)，風化基巖含水層(26 m)、安定組亞隔水土層(22 m)以及直羅組與延安組基巖含水層(175 m)。按照23倍裂采比分析，2-2煤層分層開采高度為5 m，導高為115 m，發育至直羅與延安組基巖含水層中部;一次采全高10 m，導高為230 m，發育至離石與新保德組土層下部，均未貫通土層，其涌水模式為側向與垂向復合涌水型。

如圖6,表6所示，上分層開采導高為115 m時，導水裂隙發育至直羅與延安組基巖含水層內部，基巖含水層以導水裂隙為中心形成明顯的地下水降落區，由于地表松散含水層受土層的保護，地下水流場基本未發生變化。各含水層向導水裂隙的總涌水量為35.84 m3/h，其中側向涌水量約為23.17 m3/h，頂部含水層(含風化基巖含水層、土層與松散含水層)地下水的垂向越流涌水量約為12.67 m3/h;一次采全高，導高為230 m時，導水裂隙直接貫通基巖含水層，發育至風化基巖含水層底部，總涌水量增至130.31 m3/h，其中基巖含水層與風化基巖含水層側向涌水量92.65 m3/h，由于風化基巖含水層與近地表松散含水層之間的水力梯度增大，導水裂隙頂部的含水層地下水的越流涌水量增至37.66 m3/h，導致地表松散含水層地下水流場發生明顯變化，工作面頂部地下水流向發生逆轉。

表6 曹家灘煤礦含水層涌水量Table 6 Water inrush of aquifer in in Xiaohaotu coal mine

為了進一步分析導高對含水層涌水量的影響規律，分別模擬了該煤層開采導高在50～250 m條件下含水層總涌水量(圖7)，結果顯示，導高越大，總涌水量越大，當導高小于180 m時，導水裂隙發育至基巖含水層內部，尚未溝通風化基巖含水層，含水層涌水量增加幅度不大;當導高大于180 m時，由于導水裂隙揭露富水性較好的風化基巖含水層，導致含水層涌水量增加幅度較大，由此可見，通過限高、分層開采等采煤方法，抑制導水裂隙高度與覆巖強含水層的接觸關系，是實現頂板水害防控與水資源協同保護的重要措施。

圖7 不同導水裂隙高度下覆巖含水層涌水量曲線Fig.7 Water inrush curve of aquifer groundwater under different height of water-conducting fractured zone

4 結 論

(1)通過分析榆神礦區主采煤層覆巖結構特征，將礦區主采煤層覆巖含(隔)水層劃分為松散孔隙、基巖與風化裂隙、燒變巖孔洞裂隙4個含水層組，以及主、亞2個隔水保護土層。

(2)通過分析主采煤層采動導水裂隙與覆巖含(隔)水層組的空間組合關系，提出淺埋煤層側向直接涌水、中深煤層側向與垂向復合涌水、深部煤層復合隔水保護微涌水3種含水層涌水模式。

(3)采用COMSOL數值分析方法，分別以涼水井、小壕兔、曹家灘井田為例，定量模擬分析了3種模式涌水規律，其中淺淺埋煤層側向直接流失型(涼水井井田)工作面頂部含水層被疏干，各含水層均為側向涌水，涌水總量為47 m3/h;深埋煤層側向與垂向復合隔水保護弱涌水型(小壕兔1號井田)，含水層涌水總量為21.87 m3/h，以基巖含水層側向涌水為主;中深煤層側向與垂向復合微涌水型(曹家灘井田)，煤層分層開采條件下導水裂隙發育至基巖含水層內部，含水層側向涌水量為23.17 m3/h，垂向涌水量為12.67 m3/h;一次采全高條件下由于導水裂隙發育至風化基巖含水層底部，垂向越流加劇，涌水總量增至131 m3/h;可見通過限高、分層開采抑制導水裂隙發育高度是實現頂板水害防控與水資源協同保護的重要措施。